DE2140824C2

DE2140824C2 - Ölgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2140824C2
Application number: DE2140824A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. 8901 Kissing Häfner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1971-08-14
Filing date: 1971-08-14
Publication date: 1983-06-01
Also published as: NL7211097A; IT961846B; JPS5429660B2; DK133196C; JPS4828835A; FR2150044A5; DK133196B; SE386727B; DE2140824A1

Description

Die Erfindung betrifft einen ölgekühlten Kolben für Brennkraftmaschinen mit Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solcher, aus der deutschen Patentschrift 4 99 189 bekannter Kolben weist hinsichtlich der Führung des Kohlöles und damit seiner Kühlwirkung insofern Nachteile auf, als das beim Abwärtsgang des Kolbens In der inneren Kühlkammer gegen den Kolbenboden geschleuderte Kühlöl durch die Verbindungsöffnungen sofort zur äußeren Kühlkammer hin abläuft und dadurch insbesondere den mittleren Teil des Kolbenbodens nur kurzzeitig benetzt. Weiterhin werden die beiden Kühlkammern durch das Vorsehen eines Ölzulaufes vergleichsweise großen Querschnittes und eines Ablaufes geringeren Querschnittes sowie durch die in der Nähe des Kolbenbodens gelegene Mündung der vom Kolbenboden wegführenden Abflußleltung fast vollständig mit Kühlöl angefüllt, wodurch einerseits das bei jedem Kolbenhub zu beschleunigende Gewicht erhöht und andererseits zumindest die spezifische KUhlwlrkung durch mangelnde Turbulenz vermindert wird. Zudem ist eine solche Führung des Kühlöles Im Innern des Kolbens nur dann sinnvoll möglich, wenn die Abstützung des Kolbens am Treibstangenkopf sehr nahe an den Kolbenboden herangerückt Ist.

Bei einem anderen, aus der DE-PS 8 04 048 bekannten Kolben erfolgt die Zuführung des Kühlöles ausschließlich durch die Treibstange, aus der das Kühlöl austritt. Infolge tier fortlaufenden Pendelbewegungen der Trelnstange erfolgt die Kühlölzufuhr zur inneien Kühlkammer an ständig wechselnden Orten. Bei diesem bekannten Kolben wird das Kühlöl über am oberen Treibstangenende angeordnete radial gerichtete Austrittskanäle direkt durch Verbindungsöffnungen In eine äußere Kühlkammer und über eine axiale Austrittsbohrung direkt in die innere Kühlkammer und dort an deren kolbenbodenseitiges Wandteil gespritzt. Ein Kühlölüberlauf von der inneren zur äußeren Kühlkammer ist hier nicht gegeben. Außerdem Ist bei diesem bekannten Kolben auch eine Abfuhr erwärmten Kühlöles unter Vermeidung eines Rücklaufes desselben in die innere Kühlkammer direkt aus der äußeren Kühlkammer nicht vorgesehen. Vielmehr läuft dort das erwärmte Kühlöl aus der äußeren Kühlkammer wieder in die innere Kühlkammer zurück und wird von dort aus ohne spezielle Kanäle durch den Kolben in den Kurbelraum abgeführt. Die im inneren Kühlraum gelegene kolbenbodenseillge Wand wird dabei nur sehr kurzfristig von angespritztem Kühlöl kontaktlert, so daß kaum eine ausreichende Wärmeabfuhr und damit auch keine gute Kühlung dieses thermisch am höchsten beanspruchten Kolbenbodenbereleh.es gewährleistet sein kann.

Es Ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Kühlötführung bei einem Kolben der eingangs bezeichneten Art so zu gestalten, daf3 mit geringem Aufwand und ohne wesentliche Beeinflussung der unter Festlgkeitsgesichtspunkten getroffenen Materialverteilung im Kolbeninnern eine möglichst gute Kühlwirkung erreicht wird.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen ölgekühlten Kolben mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Kolbens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Begrenzung des aufnehmbaren Ölvolumens der unteren ölfangschale der inneren Kühlkammer, in deren Bereich die Zufuhr von Kühlöl erfolgt, hat dabei insbesondere die Aufgabe, beim Vorschmieren der Brennkraftmaschine vor dem Start das Ansammeln einer zu großen Ölmenge im Kolbeninneren zu verhindern und so schon bei den ersten Takten nach dem Start für eine ordnungsgemäße Kühlölführung zu sorgen. Beim Expansionshub des Kolbens wird das in der unteren Ölfangtasche der inneren Kühlkammer angesammelte Kühlöl zusammen mit dem ständig nachgeförderten Kühlöl gegen die gegenüberliegende Ölfangschale im Bereich des Kolbenbodens geschleudert, wobei durch die Bemessung der Volumina der beiden gegenüberliegenden Ölfangschalen der inneren Kühlkammer der überschüssige Teil des Kühiöles durch die Verbindungsöffnungen in die obere Ölfangschale der äußeren Kühlkammer geleitet wird. Durch die symmetrische Verteilung der Verbindungsöffnungen in der Stützwand erfolgt ein Übertritt des Kühlöles gleichmäßig, wobei durch die erfindungsgernäße Wirkung der Verbindungsöffnungen als das Volumen begrenzender Rand der beiden zum Kolbenboden hin gelegenen Ölfangschalen eine die Kühlwirkung erhöhende Turbulenz beim Eintritt des Kühiöles in die obere Ölfangschale der äußeren Kühlkammer bewirkt wird. Durch die Bemessung der Volumina der Ölfangschalen der äußeren Kühlkammer wird sichergestellt, daß die Förderbewegung des Kühlöles im Bereich des Kolbenbodens von der inneren Kühlkammer zur äußeren Kühlkammer erfolgt, da das bei Beginn des Expansionshubes von der unteren Ölfangschale der äußeren Kühlkammer in die zugehörige obere, zum Kolbenboden hin gelegene Ölfangschale transportierte Kühlöl nicht ausreicht, um diese obere Ölfangschale voll mit Öl zu füllen. Eine Erhöhung des Baugewichtes kann insbesondere auch bei Tauchkolbenmaschinen mit einem in der unteren Kolbenhälfte angeordneten Kolbenbolzen auf einfache Weise dadurch vermieden werden, daß die untere Ölfangschale der inneren Kühlkammer in der Nachbarschaft des Treibstangenkopfes angeordnet ist und ihr aufnehmbares Ölvolumen durch den unteren Rand einer ihr zugeordneten eigenen Überlauföffnung begrenzt is'. Eine Minderung der Festigkeit durch Überlauf- bzw. Verbindungsöffnungen in der Stützwand, die über fast die gesamte Höhe der Stützwand reichen bzw. ein dadurch notwendig werdender erhöhter Materialzusatz zur Kompensation des Festigkeitsverlustes, wird vorteilhaft dadurch vermieden, daß diese Überlauföffnungen an ihren Rändern mit Materialwülsten versehen sind. Dadurch wird die örtliche Schwächung der Stützwand im Bereich der Überlauföffnung ohne zusät'.iichen Materialaufwand kompensiert. Zudem bewirken diese Wülste eine erhöhte Verwirbelung des Kühlöles. Vorteilhafterweise ist die untere Ölfangschale der äußeren Kühlkammer taschenförmlg ausgebildet und im Bereich der Abstützung des Kolbens gegen den Treibstangenkopf angeordnet. Dadurch werden Materialanhäufungen im tragenden Bereich der hochbelasteten Stützwand vermieden. Eine einfache Anpassung der jeweils abgeführten Ölmenge an die durch die Treibstange hindurch zugefUhrte Ölmenge kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, daß die untere Ölfangschale der äußeren Kühlkammer radial außen durch eine in dem Zwischenraum zwischen der Stützwand und dem Kolbenhemd ragende Wand begrenzt ist.

die als Mittel zur Abführung des erwärmten Kühlöles zum Kolbenhemd hin einen für einen ungehinderten Abfluß ausreichenden Abstand aufweist.
Einzelheiten der Erfindung und weitere Vorteile derselben ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines beispielhaft In der Zeichnung im Längsschnitt dargestellten Kolbens.

Der beispielhaft dargestellte Tauchkolben ist zweiteilig ausgebildet und besteht aus einem die Kolbenkrone umfassenden Kolbenoberteil J und einem den unteren Bereich des Kolbenhemdes 2 und die Abstützung 3 des Kolbens gegenüber dem nicht näher dargestellten Treibstangenkopf umfassenden Kolbenunterteil 4. Durch in Schraubenkanonen 5 geführte Spannschrauben wird das Kolbenoberteil 1 an einer Trennfuge 6 gegen das Kolbenunterteil 4 festgelegt. Eine sich zum Kolbenboden 7 hin keglig erweiternde Stützwand 8 wird dabei auf Druck vorgespannt, wodurch ihre Wechsel festigkeit erhöht wird.

Die Zufuhr des Kühlöles erfolgt durch eine zentrale Bohrung 9 in der Abstützung 3 des Ko':>;ns gegen den Treibstangenkopf in eine innere Kuhlkamme', iö hinein. Beim Stillstand der Maschine oder im Kompressionshub wird zunächst eine untere, im Bereich der Abstützung 3 angeordnete untere Ölfangschale 11 mit Kühlöl angefüllt, deren aufnehmbares Ölvolumen durch den unteren Rand 12 einer Überlauföffnung 13 begrenzt ist. Im Expansionshub wird das in der unteren Ölfangschale 11 gesammelte Öl zum gegenüberliegenden Kolbenboden 7 hingeschleuden, wo es wiederum in einer oberen Ölfangschale 14 der inneren Kühlkammer 10 gesammelt wird. Das aufnehmbare Ölvolumen der oberen Ölfangschale 14 wird begrenzt durch die oberen Ränder 15 einer Mehrzahl von symmetrisch in der Stützwand 8 angeordneten Verbindungsöffnungen 16.

Beim Aufwärtsgang des Kolbens könnte das Kühlöl von der inneren Kühlkammer 10 in die Treibstange zurückgedrückt werden, wenn nicht besondere Maßnahmen getroffen wären. Eine davon wäre z. B. das Voi.sehen eines Rückschlagventils in der Treibstange. Ein Rückschlagventil hat jedoch zerstörbare, bewegliche Teile und ist deswegen unerwünscht. Eine andere, hier vorgeschlagene Maßnahme besteht darin, ein die Bohrung 9 umfassendes Auge 27 an der Abstützung J so weit

^J5 in die innere Kühlkammer 10 hochzuziehen, daß in der unteren Ölfangschale 11 eine gewünschte Ölmenge zurückgehalten wird. Zweckmäßig ist der Rand 28 des Auges 27 etwa in gleicher Höhe mit dem unteren Rand 12 der Überströmöffnung 13 angeordnet.

Durch die Bemessung des aufnehmbaren Ölvolumens der dem Kolbenboden 7 benachbarten oberen Ölfangschale 14 der inneren Kühlkammer 10 derart, daß das von der unteren Ölfangschale 11 und das zusätzliche durch die Bohrung 9 nachgeförderte Ölvolumen das Fassungsvermögen der oberen Ölfangschale 14 übersteigt, wird erreicht, daß im Lxpansionshub ein Teil a&. Kühlöles durch die Verbindungsöffnungen 16 in eine, von der inneren Kühlkammei· 10 durch die Stützwand 8 abgetrennte äußere Kühlkammer 17 übertritt. Die äußere Kühlkammer 17 weist ebenfalls eine, dem Kolbenboden 7 benachbarte onere Ölfangschale 18 und im Bereich der Abstützung 3 eine untere Ölfangschale 19 auf. Das Kühlöl tritt dabei Im Expansionshub über die erhabenen oberen Ränder 15 der Verbindungsbohrungen 16 mit einer

f>5 den Wärmeübergang erhöhenden Turbulenz In die obere ölfangschale 18 der äußeren Kühlkammer 17 ein.

Im nachfolgenden Kompressionshub wird das in der oberen Ölfangschale 18 gesammelte Öl nach unten in

Richtung auf die untere Ölfangschale 19 geschleudert. Eine äußere Wand 20 der unteren Ölfangschale 19, deren oberer Rand 25 die zugehörige Überlauföffnung 2fi begrenzt, schließt die untere Ölfangschale 19 radial nach außen ab. Durch die Wand 20, die im Zwischenraum zwischen der Abstützung 3 und dem Kolbenhemd 2 angeordnet ist. wird das von der oberen Ölfangschale 18 kommende Öl zum einen Teil abgefangen und in der unteren Ölfangschale 19 gesammelt; der andere Teil fließt durch den die Überlauföffnung 26 bildenden Zwischenraum zwischen der äußeren Wand 20 der Ölfangschale 19 und dem Kolbenhemd 2 zum Kurbelraum hin ab

Die aufnehmbaren Ölvolumina der oberen Ölfangschale 18 und der unteren Ölfangschale 19 der äußeren Kühlkammer 17 sind so bemessen, daß das im Expansionshub von der unteren Ölfangschale 19 zur oberen Ölfangschale 18 hin transportierte Kühlöl nicht ausreicht.

uiVi uic GudMgSCudlc io bis 7.ü ucü in «ΐ Π Ci C Γ Π ϊ* uCr VcT-bindungsöffnungen 16 anzufüllen. Dadurch ist sichergestellt, daß im Expansionshub stets eine Förderbewegung des Kühlöles von der inneren Ölfangschale 14 zur äußeren Ölfangschale 18 hin erfolgt.

Mit dieser Anordnung ist ohne zusätzlichen Materialeinsatz, ohne zusätzliche Herstellungsschwierigkeiten und ohne einen Festigkeitsverlust erreicht, daß sich zur wirkungsvollen Kühlung insbesondere der Kolbenkrone ein gut erfaßbarer Kreislauf des Kühlöles einstellt. Bei Kenntnis des Druckes des durch die Treibstange zugeführten Kühlöles kann durch entsprechende Bemessung des Querschnittes der Bohrung 9 in der Abstützung 3 sowie durch die Bemessung des Abstandes der Wand 20 der Ölfangschale 19 vom Kolbenhemd 2. also der Überströmöffnung 26, die am Kreislauf beteiligte Ölmenge in einfacher Weise festgelegt werden. Die Bemessung der ,lufnehmharen Ölvolumina der Ölfangschalen II. 14, 18 und 19 bleibt im R.ihmen der beanspruchten Relationen einer insbesondere von der Ölförderleistung abhängigen Optimierung der Ölverleilung im Kolbeninneren überlassen, deren Durchführung beispielsweise mittels Versuchen das Durchschnittskönnen eines Fachmannes keinesfalls übersteigt.

Ahnliches gilt für die Anzahl der Verbindungsbohrungen 16 und der Überlauföffnungen 13. Es wäre durchaus denkbar, zur Vermeidung einer unsymmetrischen Spannungsverteilung In der Stützwand 8 symmetrisch verteilt mehrere Überlauföffnungen 13 anzuordnen, die vortellhaft jeweils mit Wülsten 21 versehen sind. Abgesehen von gußtechnischen Vorteilen bringt das Vorsehen der Wülste 21 Im Rar"lberelch der Überlauföffnungen 13 eine der örtlichen Spannungsanhäufung angepaßte Verstärkung und darüber hinaus eine zusätzliche Verssirklichung der transportierten Kühlölmcnge.

Die Neigung der Stützwand 8 erbringt eine Beschleunigung der äußeren Ölmenge in die Ölfangschale 18 derart, daß dort ein Ringwirbel erzeugt wird, der sich in gewis-

Ölfangschale 14 in die Ölfangschale 18 ergibt, so daß insgesamt in der Ölfangschale 18 eine hohe Turbulenz und damit große Wärmeabfuhr erreicht werden.

Eine Neigung des unteren Bereiches 30 der Wand 20 ermöglicht ein Sammeln des Öles in der Oliaiigbchaie i9 ohne zu hartes Aufprallen des hin- und hergeschleuderten Öles, so daß die Schaumbildung klein gehalten wird.

Eine unerwünschte Störung des Kühlölkreislaufes im

Kolben <....rch Spritzöl vom Kurbelraum her kann durch am inneren Umfang des Kolbenhemdes 2 im axialen

3i Bereich der Wand 20 der Ölfangschale 19 angeordnete Abdeckstege 22 vermieden werden.

Ein Transport von in der äußeren Kühlkammer 17 befindlichem Öl nach außen zu den Ölabstreifringen hin kann durch eine schräg von oben innen nach unten außen verlaufende Ablaufbohrung 23 vermieden werden, durch die auch das von den Ölabstreifringen abgestreifte und über eine Stichleitung 24 zugeführte Öl abführbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Ölgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen mit Zuführung des Kühlöls durch d{e Treibstange und eine zentrale Bohrung in der Abstützung des Kolbens gegen den Treibstangenkopf in eine radial innere Kühlkammer, die durch eine Stützwand zwischen der Abstützung des Kolbens am Treibstangenkopf und dem Kolbenboden von einer im wesentlichen ringförmlgen, kolbenbodenseitig eine Ölfangschale aufweisenden äußeren Kühlkammer abgeteilt ist, und mit einer Mehrzahl in der Stützwand symmetrisch angeordneter, zur Oberleitung von Kühlöl aus der inneren in die äußert Kühlkammer dienender Verbindungsöffnungen, deren oberer Rand in der Nachbarschaft des Kolbenbodens angeordnet ist, und mit Mitteln zur Abführung des erwärmten Kühlöles unter Vermeidung eines Rücklaufes desselben in die innere Kühlkammer direkt aus der äußeren Kühlkammer, gekennzeichnet durch folgende Merkmale, nämlich

- sowohl in der inneren Kühlkammer (10) als auch in der äußeren Kühlkammer (17) sind je zwei in Achsrichtung des Kolbens einander gegenüberliegende Ölfangschalen (11, 14; 18, 19) vorgesehen,

- die aufnehmbaren Ölvolumen der oberen Ölfangschalen (14, 18) sind durch fte Ränder (15) der zugeordneten Verbindungsöffnungen (16) und jene der unteren Ölfangschalen (11,19) durch die Ränder (12, 25) zugeordneten Überlauföffnungen (13, 26) begrenzt,

- in der inneren Kühlkammer (10) ist das Volumen der oberen, zum Kolbcnbodei· (7) hin gelegenen Ölfangschale (14) höchster« so groß wie das der ihr gegenüberliegenden unteren Ölfi ~.gschale (11), in deren Bereich die Zufuhr von Kühlöl erfolgt,

- das aufnehmbare Ölvolumen der oberen, zum Kolbenboden (7) hin gelegenen Ölfangschale (18) in der äußeren Kühlkammer ist größer als dasjenige der ihr gegenüberliegenden unteren Ölfangschale (19) in der äußeren Kühlkammer (17),

- neben der unteren, in der äußeren Kühlkammer (17) angeordneten Ölfangschaie (19) ist wenigstens eine Oberlauföffnung (26) vorgesehen, über die die Abfuhr des Kühlöles aus der äußeren Kühlkammer (17) erfolgt.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Ölfangschale (11) der inneren Kühlkammer (10) in der Nachbarschaft des Treibstangenkopfes angeordnet ist und ihr aufnehmbares Ölvolumen durch den unteren Rand (12) einer ihr zugeordneten eigenen Überlauföffnung (13) begrenzt ist.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlauföffnung (13) an ihren Rändern (12) mit Materiaiwüisten (21) versehen 1st.
4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Ölfangschale (19) der äußeren Kühlkammer (17) taschenförmig ausgebildet und im Bereich der Abstützung (3) des Kolbens gegen den Treibstangenkopf angeordnet ist.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Ölfangschale (19) der äußeren Kühlkammer (17) radial außen durch eine in den Zwischenraum zwischen der Stützwand (8) und dem Kolbenhemd (2) ragende Wand (20) begrenzt ist, die als Mittel zur Abführung des erwärmten Kühlöles einen für einen ungehinderten Abfluß ausreichenden Abstand zum Kolbenhemd (2) hin aufweist.